瓦斯隧道施工安全控制措施探討

魏二劍，文 坤

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、交通量的增加，隧道在現(xiàn)代交通中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。有關(guān)資料顯示［1］，我國(guó)在鐵路、公路、水利水電等領(lǐng)域已經(jīng)建成近萬(wàn)座隧道，總長(zhǎng)超過(guò)7 000 km。隧道建設(shè)過(guò)程中不可避免地要穿越瓦斯富集區(qū)地層，在這種情況下施工除了要注意常規(guī)操作控制要點(diǎn)以外，瓦斯防治工作將顯得尤為重要［2-3］。

目前，我國(guó)在瓦斯條件下進(jìn)行地下工程施工所能執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)條款還不完善，許多方面直接引用煤礦行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［4-5］。因此，在瓦斯隧道施工過(guò)程中大多存在要么完全照搬煤礦行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)及工法，要么就直接按照一般隧道進(jìn)行施工和管理。前者雖然在一定程度上保證了施工安全，但卻增加了許多不必要的投入，嚴(yán)重影響了成本和工期;后者則很難保證施工安全。

本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某一具體工程實(shí)踐，通過(guò)對(duì)瓦斯隧道施工安全控制措施各個(gè)要素進(jìn)行分析探討，得出一套系統(tǒng)性的瓦斯隧道安全管理方法，希望可為類(lèi)似瓦斯隧道的施工和安全管理提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某隧道位于四川盆地東北部的廣元市元壩區(qū)鴛溪鎮(zhèn)，線路在鴛溪鎮(zhèn)三岔口進(jìn)入該隧道，隧道起訖里程D1K642+090—D1K647+275，全長(zhǎng) 5 185m，內(nèi)設(shè)人字坡，洞身最大埋深165m，線路走向近南北向。

本隧道為單洞雙線隧道，按設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h且滿足開(kāi)行雙層集裝箱列車(chē)的客貨共線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，洞內(nèi)采用重型軌道碎石道床，鋪設(shè)Ⅲ型軌枕(2.6 m)及60 kg/m鋼軌，軌道結(jié)構(gòu)高度77 cm。

隧區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)劍門(mén)關(guān)組紫紅色泥巖、砂巖不等厚互層，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)軟易坍，裂隙中可能有有害氣體賦存。地下水主要以孔隙水和裂隙水兩種形式存在。據(jù)預(yù)測(cè)，隧道內(nèi)的正常涌水量為2 000m3/d，最大總涌水量為2 600m3/d，但地下水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

該隧道附近5 km范圍內(nèi)分布有兩口天然氣井，天然氣等有害氣體可能順著巖層構(gòu)造裂隙上逸，并在隧道洞身范圍基巖裂隙或縫隙中局部游散富集，形成氣囊，具有隨機(jī)性和不均勻性，危及隧道施工。據(jù)勘測(cè)，該隧道單孔瓦斯最高濃度為8 730 ppm，瓦斯含量為10 719 m3，瓦斯壓力為0.2 kPa，瓦斯絕對(duì)涌出量為3.03 m3/min。

2 瓦斯隧道界定和劃分

2.1 瓦斯隧道界定

圍巖內(nèi)含有瓦斯的隧道即為瓦斯隧道，也就是說(shuō)，在隧道內(nèi)任何地點(diǎn)、任何時(shí)間只要有一次發(fā)現(xiàn)瓦斯，那么就將該隧道界定為瓦斯隧道。

2.2 瓦斯隧道的劃分

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)，將瓦斯隧道劃分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道、瓦斯突出隧道3種，瓦斯隧道的類(lèi)型按照隧道內(nèi)瓦斯工區(qū)的最高級(jí)別來(lái)確定。

瓦斯隧道工區(qū)劃分為非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)及瓦斯突出工區(qū)共4類(lèi)。

瓦斯隧道工區(qū)按照絕對(duì)瓦斯涌出量來(lái)判定［6］:當(dāng)全工區(qū)的瓦斯涌出量＜0.5m3/min時(shí)，為低瓦斯工區(qū);當(dāng)全工區(qū)的瓦斯涌出量≥0.5m3/min時(shí)，為高瓦斯工區(qū);當(dāng)瓦斯壓力p≥0.74 MPa、鉆孔瓦斯放散初速度Δv≥10或者單孔瓦斯涌出量q≥4 L/min、巖體堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5時(shí)為瓦斯突出工區(qū)。

因該隧道瓦斯絕對(duì)涌出量為3.03 m3/min，所以設(shè)計(jì)中將該隧道定為高瓦斯隧道。

3 瓦斯的危害

1)瓦斯窒息

瓦斯的主要成份是甲烷(CH4)。它是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)色、可燃燒的氣體。在常態(tài)下，空氣中氧氣的濃度接近21%，也就是說(shuō)這是最適合人類(lèi)生存的氧氣濃度。當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，氧氣的濃度就會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到43%時(shí)，氧氣濃度將降至12%，人會(huì)有呼吸困難的感覺(jué);當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到57%時(shí)，氧氣濃度就會(huì)降到9%，此時(shí)短時(shí)間內(nèi)會(huì)讓人窒息而亡。

2)瓦斯爆炸

引起瓦斯爆炸必須同時(shí)具備以下條件:①瓦斯聚集到一定的濃度，瓦斯爆炸濃度為5% ～16%，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，其爆炸威力最強(qiáng)(氧氣和瓦斯完全反應(yīng))。②足夠的氧氣濃度。③一定的引火溫度。瓦斯的引火溫度一般認(rèn)為是650℃ ～750℃。明火、吸煙、放炮、架線火花，甚至撞擊和摩擦產(chǎn)生的火花等都足以引燃瓦斯。

瓦斯爆炸產(chǎn)生的瞬間溫度可高達(dá)1 850℃～2 650℃，壓力可達(dá)到初壓的9倍，爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易使人傷亡和破壞器材設(shè)施。爆炸后將會(huì)生成大量的CO2、CO等有毒有害氣體，使人中毒和窒息。

3)煤(巖)與瓦斯突出

煤(巖)與瓦斯突出事故是指隧道或者煤巷在掘進(jìn)過(guò)程中，在地應(yīng)力、瓦斯壓力共同作用下，發(fā)生大量煤(巖)與瓦斯瞬間向采掘空間拋出的異常動(dòng)力現(xiàn)象。其表現(xiàn)為幾噸至數(shù)千噸甚至上萬(wàn)噸以上的破碎巖土在瞬間向采掘空間拋出，機(jī)械和人員被掩埋，同時(shí)伴有大量瓦斯涌出，造成人員窒息，危害極為嚴(yán)重。

4 瓦斯隧道施工安全控制措施

瓦斯事故一般都會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，可謂相當(dāng)?shù)目膳?。但是如果我們能夠掌握好瓦斯的一些?guī)律并積極采取相應(yīng)的措施，那么瓦斯事故還是可以防止和避免的。要防止瓦斯事故，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

4.1 加強(qiáng)通風(fēng)管理

控制瓦斯?jié)舛仁亲钣行У姆乐雇咚贡ǖ募夹g(shù)措施。通過(guò)有效的通風(fēng)手段稀釋瓦斯，將其控制在爆炸界限以下，即使出現(xiàn)火花等引燃源，也不會(huì)導(dǎo)致瓦斯爆炸?？梢?jiàn)，通風(fēng)效果的好壞將直接決定是否會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。

1)通風(fēng)方式的選擇

隧道通風(fēng)的基本方式主要有壓入式、抽出式、送排混合式和巷道式等。根據(jù)絕大多數(shù)隧道無(wú)軌運(yùn)輸施工特點(diǎn)，采用壓入式通風(fēng)可以使工作面的污染度最小，空氣質(zhì)量最好。通風(fēng)機(jī)不需經(jīng)常移動(dòng)，且壓入式的有效射程比吸入式的有效吸程大得多，利于工作面設(shè)備布置和作業(yè)，管理上也方便，因而更宜于機(jī)械化作業(yè)。故獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度＜2 km的瓦斯隧道多采用壓入式通風(fēng)，是目前隧道施工通風(fēng)的主要方式。因此，該隧道采用壓入式通風(fēng)。

2)風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)根據(jù)構(gòu)造可分為3類(lèi):離心式通風(fēng)機(jī)、軸流式通風(fēng)機(jī)和射流式通風(fēng)機(jī)。

該隧道采用2臺(tái)規(guī)格型號(hào)為SDZ-12.5的軸流式通風(fēng)機(jī)，額定功率為135 kW，通風(fēng)能力為1 650～2 800m3/min。通風(fēng)機(jī)必須實(shí)行雙風(fēng)機(jī)雙電源供風(fēng)，并裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。當(dāng)一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，備用風(fēng)機(jī)必須在10min內(nèi)啟動(dòng);當(dāng)一路電源停止供電時(shí)，另一路電源必須在10min內(nèi)啟動(dòng)，保證風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。加強(qiáng)風(fēng)筒管理，通風(fēng)管選用抗靜電阻燃風(fēng)管，直徑為1.8 m，模板臺(tái)車(chē)至風(fēng)室的風(fēng)管每節(jié)100m，二襯至掌子面風(fēng)管每個(gè)節(jié)段為5～30m不等。為保證風(fēng)管順直，根據(jù)現(xiàn)有模板臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)，在模板臺(tái)車(chē)上設(shè)置鋼筒，風(fēng)筒從鋼筒中通過(guò)，風(fēng)筒必須跟進(jìn)掌子面5m以內(nèi)。

4.2 加強(qiáng)瓦斯預(yù)測(cè)、檢測(cè)

該隧道瓦斯預(yù)測(cè)和檢測(cè)工作主要是通過(guò)人工檢測(cè)和利用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于人工檢測(cè)，瓦斯檢查員必須經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并持證上崗，要嚴(yán)格按確定的地點(diǎn)、頻率、檢查方法進(jìn)行檢查，嚴(yán)禁空班、漏檢和假檢。并嚴(yán)格執(zhí)行和落實(shí)“一炮三檢”制度。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)接口、監(jiān)控分站、各類(lèi)傳感器(如瓦斯傳感器、一氧化碳傳感器、開(kāi)停傳感器、硫化氫傳感器等)、電纜、接線盒等設(shè)備組成。如圖1所示。

瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)使用瓦斯斷電裝置連續(xù)監(jiān)測(cè)，隧道自動(dòng)斷電報(bào)警系統(tǒng)為聲、光連動(dòng)形式。在瓦斯?jié)舛龋?.5%時(shí)報(bào)警，瓦斯?jié)舛龋?%時(shí)切斷電源實(shí)行瓦電閉鎖。

圖1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦和瓦斯隧道安全管理起到了十分重要的作用。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了 KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000 和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。本著安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和隧道的具體情況，本隧道選用KJ101瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3 施工設(shè)備防爆改型

目前隧道施工所使用的施工機(jī)電設(shè)備基本是通用型設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備不具防爆性能，只能用于無(wú)瓦斯的隧道。而瓦斯隧道就需要防爆型機(jī)電設(shè)備，將通用型機(jī)電設(shè)備改造為防爆型機(jī)電設(shè)備。

本隧道主要對(duì)變壓器、接線盒、電纜、控制器、燈具、插銷(xiāo)開(kāi)關(guān)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸汽車(chē)、混凝土輸送泵、混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)等機(jī)電設(shè)備做了防爆改型。

4.4 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要有地質(zhì)分析法、物理探測(cè)法和鉆孔探測(cè)法3種。其中，物理探測(cè)法主要有紅外線探測(cè)、地震波探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、瞬變電磁法等。

該高瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)優(yōu)先采用鉆孔法，這是因?yàn)殂@孔法不僅能直觀有效地反映前方圍巖地質(zhì)情況，而且還能及時(shí)了解前方瓦斯的賦存情況;其次采用地震波探測(cè)法作為輔助方法。

4.5 加強(qiáng)日常安全管理工作

該隧道日常安全管理工作主要有以下幾個(gè)方面:①建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度;②做好進(jìn)洞人員安檢工作，以防止將火源帶進(jìn)洞內(nèi);③嚴(yán)格執(zhí)行風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖;④加強(qiáng)對(duì)員工的教育培訓(xùn);⑤做好應(yīng)急救援工作。

5 實(shí)施效果

將該隧道進(jìn)口12個(gè)月的瓦斯?jié)舛茸畲笾道L成曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛茸畲笾底兓€

由圖2可知，該隧道進(jìn)口在12個(gè)月中瓦斯?jié)舛然径荚?.35%以下，處于《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的0.5%安全線下，并且該隧道自開(kāi)工至今尚未出現(xiàn)過(guò)一起事故。由此可見(jiàn)，采取上述各項(xiàng)安全控制措施，有效地保證了隧道的安全掘進(jìn)。

6 結(jié)語(yǔ)

瓦斯的危害主要有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤(巖)與瓦斯突出等，針對(duì)這些危害發(fā)生的誘因，及時(shí)采取措施，可防止瓦斯事故的發(fā)生。

瓦斯隧道施工安全控制措施主要包括加強(qiáng)通風(fēng)管理、加強(qiáng)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)、機(jī)電設(shè)備防爆改型、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及加強(qiáng)日常安全管理工作等。

該隧道1年內(nèi)的瓦斯?jié)舛戎碉@示，采取本文所述各項(xiàng)安全控制措施后，該瓦斯隧道安全管控到位，處于可控狀態(tài)。總之，瓦斯防治是個(gè)系統(tǒng)工程，運(yùn)用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)、理論和方法控制好瓦斯隧道安全管理措施中各組成要素，可以減少或避免瓦斯事故的發(fā)生。

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